無過載離心泵的理論、特性、實(shí)際應(yīng)用

楊曉峰

1. 概述：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，產(chǎn)品的可靠性已成為各行業(yè)的中心議題。一臺水泵在什么樣的工況下使用，才不會由于軸功率的增大而損壞水泵、汽蝕葉輪是一個在用戶使用中很大的課題，但市場上排灌機(jī)械水泵的可靠性主要集中在樣機(jī)的工況使用試驗(yàn)以及提高關(guān)鍵件（水泵葉輪、蝸殼）的使用壽命上，就如何提高水泵的低比轉(zhuǎn)數(shù)軸功率性能，解決低比轉(zhuǎn)數(shù)泵在大流量運(yùn)行易過載，損壞水泵（燒電機(jī)），如用閘門調(diào)節(jié)水泵不在工況區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，造成短時間葉輪進(jìn)水口環(huán)氣蝕等很多問題，不能有明確的分析與指導(dǎo)。本文在分析了潛水泵行業(yè)中低比轉(zhuǎn)數(shù)泵在大流量運(yùn)行易過載，可靠性差及其產(chǎn)品的原因問題，指出幾條解決問題的途徑，以供讀者參考。

2. 低比轉(zhuǎn)數(shù)泵的軸功率特性及其影響因素

① 低比轉(zhuǎn)數(shù)泵的軸功率特性

眾所周知低比轉(zhuǎn)數(shù)泵的軸功率曲線是連續(xù)上升的，混流泵和斜流泵的軸功率特性接近于水平線，軸流泵的軸功率曲線是連續(xù)下降的。因此離心泵總是閉閥啟動（排水公司基本都是潛水離心排污泵，只有大碼頭北邊兩臺是軸流泵，易家橋、洪江路泵站是混流泵（旋流泵））軸流泵總是開閥啟動，而混流泵則是兩者皆可；并且比轉(zhuǎn)數(shù)ns越低，軸功率曲線隨流量增加上升越快。（觀音山排江水泵就是此原因）

加大流量設(shè)計(jì)，改變水泵葉輪是提高低比轉(zhuǎn)數(shù)泵效率的有效方法，其主要措施是選擇較大葉輪出口角β2，一般β2=30°-40°，有時提高至50°，選擇較大葉片口寬度b2，一般b2比計(jì)算值增加20～30%，選擇泵體喉部面積Ft比計(jì)算面積增加20～40%，以上的措施的確使低比轉(zhuǎn)數(shù)的效率有了一定程度的提高，但隨之常來的后果是泵的軸功率在相同流量下需增加（如圖1所示）大馬拉小車，如不增加功率，使泵在大流量低揚(yáng)程工況運(yùn)行時嚴(yán)重超載燒壞電機(jī)，因而泵的可靠性差。

② 幾何參數(shù)對軸功率特性的影響

對于非螺旋形吸水泵室， Vu1=0泵的揚(yáng)程和軸的功率為

H=ηhg V2（h-Q η2u2πD2b2φ2tgβ2 ） （1）

P=PgQH η =P ηm-ηv Qu2?（h0-Q η2u2Πd2φ2tgβ2 ） （2）

a.葉輪出口角β2 由式（1）得知，泵的揚(yáng)程隨β2的減小而降低，揚(yáng)程曲線隨β2的減小而變陡，從式（2）可知，在同一流量下軸功率隨揚(yáng)程的降低而減小，且軸功率曲線變得平坦，即減小β1能達(dá)到降低大流量區(qū)軸功率的目的，如圖2所示。

b.葉輪外徑D2，由式（1）（2）可知泵的揚(yáng)程和軸功率隨葉輪外徑D2的增加而增加，如圖2所示；

c.葉輪出口寬度b2，由式（1）和（2）可知，減小葉片的出口寬度b2，泵的流量、揚(yáng)程、軸功率都會隨之變化，如圖2所示，因此b2減小軸功率的降低值隨流量的增大而增大，即減小b2可使軸功率曲線變得平坦；

d.泵體喉部面積Ft（渦殼拋物線與出水拐角部），當(dāng)減小泵體喉部面積Ft時，在同一流量下，泵喉部流速增加；從而增加了泵體液流與葉輪流速不一致而引起撞擊損失使泵的流量減小，揚(yáng)程降低，軸功率減小，高效點(diǎn)向小流量方向轉(zhuǎn)移，如圖2所示；

e.葉片數(shù)Z根據(jù)泵有限葉片數(shù)的理論，減小葉片數(shù)Z，葉片間流道增大，由于葉輪內(nèi)軸向旋渦的影響，葉輪內(nèi)液流的相對速度的圓周分量減小，泵的揚(yáng)程降低，揚(yáng)程曲線變陡，軸功率曲線變得平坦；

f.排擠系統(tǒng)φ2

揚(yáng)程曲線斜率tgφ=n 60gb2φ2 ctgβ2

可見排擠系數(shù)φ2越小即葉片厚排擠大時φ值增大，揚(yáng)程曲線變陡，功率曲線變得平坦，如圖2所示。

3. 無過載泵的運(yùn)行特點(diǎn)及其可靠性

無過載泵的運(yùn)行有兩個明顯的特點(diǎn)：

① 因軸功率曲線有最大值，且最大值位置與設(shè)計(jì)點(diǎn)相近（通過合理選擇各幾何參數(shù)和適應(yīng)調(diào)整它們之間的關(guān)系總可以做到這一點(diǎn)）因此只需要原動機(jī)的配套功率大于此最大值，則泵在任何工況下運(yùn)行均不會發(fā)生過載現(xiàn)象，這個優(yōu)良特性可用于所以離心泵的設(shè)計(jì)，并且極為實(shí)用，因此無需在泵的出水部分按出水閥（因日常維護(hù)和維修需要，實(shí)際在使用中出水管路都裝有出水閘門），泵在實(shí)際運(yùn)行工況未知時，且由于各種原因在不斷變化，泵常在大流量工況去運(yùn)行。無過載泵的軸功率在達(dá)到一定最大值時，隨流量增加而不斷減小，因而提高了泵的運(yùn)行可靠性。

② 由于各種原因引起的裝置特性變化或改變泵的使用工況時雖然揚(yáng)程變化有較大△H，而流量變化卻有較小的△Q，圖3所示。這個優(yōu)點(diǎn)也具有很大的實(shí)用性，這樣一臺泵不但可以在高揚(yáng)程或低揚(yáng)程下使用（不考慮效率和節(jié)能效果，僅考慮運(yùn)行可靠性，主要對實(shí)用可言）而且用戶將一臺泵用于不同工況，其主要目的是為了得到不同揚(yáng)程，而不是得到不同流量，無過載離心泵正是實(shí)現(xiàn)了這一要求。

4. 無過載泵存在的問題及解決辦法

低比轉(zhuǎn)數(shù)泵一般具有較大的揚(yáng)程系數(shù)φ和小的流量系數(shù)φ。由式（4）可知，很小的φ值必然要求有較小的葉片出口角β2。由式（1）可知，減小β2，泵揚(yáng)程H減小，為了保證水泵需要的揚(yáng)程H，必須加大葉輪的外徑D2；因此對于比轉(zhuǎn)數(shù)極低的泵來說，若要使其具備無過載性能，則需一個反常大的葉輪。這樣由于圓盤摩擦損失與外徑n次方成正比，因而大大增加了圓盤摩擦損失，從而降低盤的效率，同時D2增大，b2/D2比值減小，又加上β2較小，此方法可能制作鑄造時有困難，但確可產(chǎn)生無過載反應(yīng)。

解決上述問題的正確辦法是，進(jìn)行深入、全面、綜合分析泵的各種幾何參數(shù)性能的影響極其關(guān)系，摸索解決問題的途徑，使得水泵既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，能在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生效果，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定性能參數(shù)，具備優(yōu)良的軸功率特性，制造出可行性，無過載、管路下、實(shí)用、高效的離心泵。

例觀音山污水處理廠出水池，可在原泵池不加大的情況下對水泵的設(shè)計(jì)流量，泵的出水方法進(jìn)行改進(jìn)研制，定可使得水泵在正確的工況下運(yùn)行，減少氣蝕和燒毀電機(jī)，減少一次性投入。